CN113134613B - 一种超细金属粉的气雾化制备装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种超细金属粉的气雾化制备装置及方法，所述装置包括控流加气喷枪、中间包、水口、高压气体喷盘及雾化室；中间包的底部设水口与雾化室相连通；控流加气喷枪设于水口的正上方并且能够升降移动，控流加气喷枪的中部设高压气体流道，控流加气喷枪的底端设喷气微孔；雾化室的顶部设高压气体喷盘，高压气体喷盘在对应水口的外侧设多个高压气体喷口，雾化室的底部设金属粉收集器。用气液混合体代替金属液进行气雾化，能够获得更加细小的金属液滴，进而得到超细粉率更大的金属粉；并且不会发生因水口絮流导致的浇注中断，提高生产连续性和稳定性。
Description
技术领域
本发明涉及金属粉制备技术领域，尤其涉及一种超细金属粉的气雾化制备装置及方法。
背景技术
铁粉、合金钢粉等金属粉的应用范围包括3D打印、等静压成型及注射成型等，其中金属粉末注射成型技术是将现代塑料注射成型技术引入粉末冶金领域而形成的一门新型粉末冶金近净形成型技术，其对金属粉的粒径要求较高(小于20μm)。而目前，采用气雾化法制造金属粉得到的粒径往往集中在30μm以上的范围内。
公开号为CN110029245A的中国专利申请公开了“一种铜合金粉末及其制备方法、应用”,其制备方法包括按重量分配比称取原料、熔炼室与雾化室预处理、熔炼、雾化前处理、雾化等五个步骤。其制备的铜合金粉末粒径为1～250μm，可应用与3D打印领域，但其并没有进一步说明所制备的铜合金粉末中粒径为20μm的占比是多少。
公开号为110508826A的中国专利申请公开了“一种高效电弧雾化装置及一种制备超细粒径金属合金粉末的方法”，其装置包括一级雾化装置和二级雾化装置，所述一级雾化装置包括一级喷枪和两个导电嘴，所述两个导电嘴末端的延长线相交点位于所述一级喷枪下方的中心轴线上，所述二级雾化装置位于一级雾化装置下方，所述二级雾化装置为圆环形状，以使金属丝材和从一级喷枪喷入的工艺流体能从其内环通孔通过，所述二级雾化装置内还设有拉瓦尔型环缝，所述拉瓦尔型环缝与流体腔室相通，使流体腔室内的流体通过拉瓦尔型环缝喷射并汇聚于所述两个导电嘴末端的延长线相交点正下方。采用该装置对合金丝材进行连续两次雾化处理，可得到适用于3D打印的超细粒径金属合金粉末。其实施例中，收得粉末经检测，分别为63μm以下粉末＞90％、53μm以下粉末＞90％。
因此，如何获得粒径集中在小于20μm范围内，以满足注射成型对金属粉的粒径要求，即研发一种超细金属粉的气雾化制备方法，成为金属粉制造行业急需解决的问题。
发明内容
本发明提供了一种超细金属粉的气雾化制备装置及方法，用气液混合体代替金属液进行气雾化，能够获得更加细小的金属液滴，进而得到超细粉率更大的金属粉；并且不会发生因水口絮流导致的浇注中断，提高生产连续性和稳定性。
为了达到上述目的，本发明采用以下技术方案实现：
一种超细金属粉的气雾化制备装置，包括控流加气喷枪、中间包、水口、高压气体喷盘及雾化室；所述中间包设于雾化室的顶部，所述中间包的底部设水口与雾化室相连通；所述控流加气喷枪竖直设于水口的正上方并且能够升降移动，控流加气喷枪的中部设高压气体流道，控流加气喷枪的底端设喷气微孔；高压气体流道的上口与高压惰性气体输送管道相连，高压气体流道的下口与喷气微孔相连；所述雾化室的顶部设高压气体喷盘，高压气体喷盘在对应水口的外侧设多个高压气体喷口，雾化室的底部设金属粉收集器；所述中间包、雾化室、控流加气喷枪、水口、高压气体喷盘及金属粉收集器同轴设置。
所述控流加气喷枪与高压惰性气体输送管道之间通过快速接头或螺纹连接。
所述中间包的本体为钢制壳体，钢制壳体的内壁依次设有绝热层和中间包包衬。
所述中间包的钢制壳体与雾化室为一体结构。
所述水口的材质为氮化硼或氧化镁；水口为轴对称结构，中心沿竖直方向设圆孔作为气液混合体流道。
所述水口设于中间包的中心位置；水口的上部为锥形结构，所述中间包的底部对应设置锥形孔，水口的上部嵌装在锥形孔中。
所述控流加气喷枪的底面为球面，喷气微孔的直径为0.1～5mm，喷气微孔的数量为1～200个；喷气微孔为多个时，均匀设于球面上；所述控流加气喷枪的升降调节范围为：控流加气喷枪底面距离水口上端面0～200mm。
所述雾化室的顶部在对应高压气体喷盘安装处设安装孔，高压气体喷盘嵌装在安装孔中，通过压板和螺栓与雾化室的顶部可拆卸地固定连接；高压气体喷盘的中部设通孔与水口的下部相配合；高压气体喷盘内设高压气体流道，高压气体流道的进气端与高压惰性气体输送管道相连，高压气体流道的出气端与高压气体喷口相连。
所述高压惰性气体输送管道在靠近控流加气喷枪、高压气体喷盘的一端分别设压力调节阀。
一种超细金属粉的气雾化制备方法，所述超细金属粉的粒径≤20μm；制备过程包括如下步骤：
1)将控流加气喷枪下降，使其落到水口上，堵住水口上的气液混合体流道；
2)采用火焰烘烤中间包包衬，然后向中间包内注入金属液；
3)向控流加气喷枪内通入惰性气体，并将压力调节至0.11～1.0MPa，通过控流加气喷枪向雾化室内充入惰性保护气体；与此同时，向高压气体喷盘内通入惰性气体，并将压力调节至0.11～10MPa，通过高压气体喷盘向雾化室内充入惰性保护气体；
4)向上提起控流加气喷枪，使中间包内的金属液自流到控流加气喷枪与水口之间的缝隙，并与自控流加气喷枪喷射出的惰性气体混合，形成气液混合体；气液混合体在高压气体冲击、重力，以及高压气体喷盘喷射气流的负压抽吸作用下，通过水口的气液混合体流道进入雾化室；
5)气液混合体进入雾化室后即进入到高压气体喷盘喷射气流的冲击区内，在喷射气流的作用下被打碎成超细液滴，并迅即凝固形成超细金属粉落入雾化室底部的金属粉收集器内；
6)经自然冷却、筛分后，获得成品超细金属粉。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
采用气液混合体代替金属液进行气雾化，带来以下好处：
1)与金属液相比，气液混合体更容易被高压雾化气流打碎，因而能够获得更加细小的金属液滴，进而得到超细粉率更大的金属粉；
2)在气液两相的冲击下，明显改善水口絮流，因而可以使用孔径更小的水口，这样既能够以较小的金属液流量浇注，又不会发生因水口絮流导致的浇注中断；大幅度提高了生产的连续性和稳定性，即大幅度提高了产能。
附图说明
图1是本发明所述一种超细金属粉的气雾化制备装置的结构示意图。
图2是本发明所述钢制壳体与雾化室的一体化结构示意图。
图3是本发明所述高压气体喷盘的结构及安装示意图。
图4是本发明所述控流加气喷枪的结构示意图。
图5是图4中的A部放大图。
图中：1.控流加气喷枪 11.高压气体流道 12.喷气微孔 2.中间包 21.绝热层22.中间包包衬 23.钢制壳体 3.雾化室 31.安装孔 4.水口 5.高压气体喷盘 51.高压气体喷口 6.高压惰性气体输送管道 7.金属液 8.超细金属粉 9.压板 10.螺栓
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步说明：
如图1所示，本发明所述一种超细金属粉的气雾化制备装置，包括控流加气喷枪1、中间包2、水口4、高压气体喷盘5及雾化室3；所述中间包2设于雾化室3的顶部，所述中间包2的底部设水口4与雾化室3相连通；所述控流加气喷枪1竖直设于水口4的正上方并且能够升降移动，如图4、图5所示，控流加气喷枪1的中部设高压气体流道11，控流加气喷枪1的底端设喷气微孔12；高压气体流道11的上口与高压惰性气体输送管道6相连，高压气体流道11的下口与喷气微孔12相连；所述雾化室3的顶部设高压气体喷盘5，高压气体喷盘5在对应水口4的外侧设多个高压气体喷口51(如图3所示)，雾化室3的底部设金属粉收集器；所述中间包2、雾化室3、控流加气喷枪1、水口4、高压气体喷盘5及金属粉收集器同轴设置。
所述控流加气喷枪1与高压惰性气体输送管道6之间通过快速接头或螺纹连接。
所述中间包2的本体为钢制壳体23，钢制壳体23的内壁依次设有绝热层21和中间包包衬22。
如图2所示，所述中间包2的钢制壳体23与雾化室3为一体结构。
所述水口4的材质为氮化硼或氧化镁；水口4为轴对称结构，中心沿竖直方向设圆孔作为气液混合体流道。
所述水口4设于中间包2的中心位置；水口4的上部为锥形结构，所述中间包2的底部对应设置锥形孔，水口4的上部嵌装在锥形孔中。
所述控流加气喷枪1的底面为球面，喷气微孔12的直径为0.1～5mm，喷气微孔12的数量为1～200个；喷气微孔12为多个时，均匀设于球面上；所述控流加气喷枪1的升降调节范围为：控流加气喷枪1底面距离水口4上端面0～200mm。
所述雾化室3的顶部在对应高压气体喷盘5安装处设安装孔31，高压气体喷盘5嵌装在安装孔31中，通过压板9和螺栓10与雾化室3的顶部可拆卸地固定连接(如图1、图3所示)；高压气体喷盘5的中部设通孔与水口4的下部相配合；高压气体喷盘5内设高压气体流道，高压气体流道的进气端与高压惰性气体输送管道6相连，高压气体流道的出气端与高压气体喷口51相连。
所述高压惰性气体输送管道6在靠近控流加气喷枪1、高压气体喷盘5的一端分别设压力调节阀。
一种超细金属粉的气雾化制备方法，所述超细金属粉的粒径≤20μm；制备过程包括如下步骤：
1)将控流加气喷枪1下降，使其落到水口4上，堵住水口4上的气液混合体流道；
2)采用火焰烘烤中间包包衬22，然后向中间包2内注入金属液7；
3)向控流加气喷枪1内通入惰性气体，并将压力调节至0.11～1.0MPa，通过控流加气喷枪1向雾化室3内充入惰性保护气体；与此同时，向高压气体喷盘5内通入惰性气体，并将压力调节至0.11～10MPa，通过高压气体喷盘5向雾化室3内充入惰性保护气体；
4)向上提起控流加气喷枪1，使中间包2内的金属液7自流到控流加气喷枪1与水口4之间的缝隙，并与自控流加气喷枪1喷射出的惰性气体混合，形成气液混合体；气液混合体在高压气体冲击、重力，以及高压气体喷盘5喷射气流的负压抽吸作用下，通过水口4的气液混合体流道进入雾化室3；
5)气液混合体进入雾化室3后即进入到高压气体喷盘5喷射气流的冲击区内，在喷射气流的作用下被打碎成超细液滴，并迅即凝固形成超细金属粉落入雾化室3底部的金属粉收集器内；
6)经自然冷却、筛分后，获得成品超细金属粉。
以下实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
【实施例1】
本实施例中，采用本发明所述一种超细金属粉的气雾化制备装置制备304不锈钢超细粉。具体过程如下：
1、组装气雾化制备装置。水口上气液混合体流道的直径为3mm，控流加气喷枪上的喷气微孔直径为0.2mm，喷气微孔的数量为8个；
2、下降控流加气喷枪，使其落到水口上，堵住水口上的气液混合体流道；
3、采用火焰烘烤中间包包衬，然后向中间包内注入200kg的304不锈钢钢液；
4、开启与控流加气喷枪相连的氩气气源，并保持0.15MPa的压强，自控流加气喷枪上多个喷气微孔喷射出的氩气充入雾化室内；与此同时，开启与高压气体喷盘相连的氩气源，并保持0.120MPa的压强，通过高压气体喷盘上的多个高压气体喷口向雾化室内充入氩气；
5、向上提起控流加气喷枪，使控流加气喷枪底面距离水口上端面的距离为5mm；304不锈钢钢液自流到控流加气喷枪与水口之间的缝隙处，混入从控流加气喷枪喷射出的惰性气体，形成气液混合体。气液混合体在气体冲击、重力，以及高压气体喷盘喷射气流的负压抽吸作用下，从水口流出进入雾化室；
6、气液混合体从水口进入雾化室后，即进入到高压气体喷盘喷射气流的冲击区内，被喷射气流打碎成超细液滴，迅即凝固形成超细304不锈钢粉落入金属粉收集器内；
7、经自然冷却、筛分后获得成品304不锈钢粉，20μm以下的超细粉质量为175kg，超细粉收得率为87.5％。
【实施例2】
本实施例中，采用本发明所述一种超细金属粉的气雾化制备装置制备纯铁超细粉。具体过程如下：
1、组装气雾化制备装置。水口上气液混合体流道的直径为3mm，控流加气喷枪上的喷气微孔直径为0.15mm，喷气微孔的数量为10个；
2、下降控流加气喷枪，使其落到水口上，堵住水口上的气液混合体流道；
3、采用火焰烘烤中间包包衬，然后向中间包内注入300kg的纯铁液；
4、开启与控流加气喷枪相连的氩气气源，并保持0.12MPa的压强，自控流加气喷枪上多个喷气微孔喷射出的氩气充入雾化室内；与此同时，开启与高压气体喷盘相连的氩气源，并保持0.115MPa的压强，通过高压气体喷盘上的多个高压气体喷口向雾化室内充入氩气；
5、向上提起控流加气喷枪，使控流加气喷枪底面距离水口上端面的距离为6mm；纯铁液自流到控流加气喷枪与水口之间的缝隙处，混入从控流加气喷枪喷射出的惰性气体，形成气液混合体。气液混合体在气体冲击、重力，以及高压气体喷盘喷射气流的负压抽吸作用下，从水口流出进入雾化室；
6、气液混合体从水口进入雾化室后，即进入到高压气体喷盘喷射气流的冲击区内，被喷射气流打碎成超细液滴，迅即凝固形成超细纯铁粉落入金属粉收集器内；
7、经自然冷却、筛分后获得成品纯铁粉，20μm以下的超细粉质量为286kg，超细粉收得率为95.3％。
【实施例3】
本实施例中，采用本发明所述一种超细金属粉的气雾化制备装置制备纯铝超细粉。具体过程如下：
1、组装气雾化制备装置。水口上气液混合体流道的直径为4mm，控流加气喷枪上的喷气微孔直径为0.10mm，喷气微孔的数量为12个；
2、下降控流加气喷枪，使其落到水口上，堵住水口上的气液混合体流道；
3、采用火焰烘烤中间包包衬，然后向中间包内注入200kg的纯铝液；
4、开启与控流加气喷枪相连的氩气气源，并保持0.13MPa的压强，自控流加气喷枪上多个喷气微孔喷射出的氩气充入雾化室内；与此同时，开启与高压气体喷盘相连的氩气源，并保持1.8MPa的压强，通过高压气体喷盘上的多个高压气体喷口向雾化室内充入氩气；
5、向上提起控流加气喷枪，使控流加气喷枪底面距离水口上端面的距离为8mm；纯铝液自流到控流加气喷枪与水口之间的缝隙处，混入从控流加气喷枪喷射出的惰性气体，形成气液混合体。气液混合体在气体冲击、重力，以及高压气体喷盘喷射气流的负压抽吸作用下，从水口流出进入雾化室；
6、气液混合体从水口进入雾化室后，即进入到高压气体喷盘喷射气流的冲击区内，被喷射气流打碎成超细液滴，迅即凝固形成超细纯铝粉落入金属粉收集器内；
7、经自然冷却、筛分后获得成品纯铝粉，20μm以下的超细粉质量为192kg，超细粉收得率为96％。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
Claims (8)
1.一种超细金属粉的气雾化制备方法，其特征在于，基于一种超细金属粉的气雾化制备装置实现，所述装置包括控流加气喷枪、中间包、水口、高压气体喷盘及雾化室；所述中间包设于雾化室的顶部，所述中间包的底部设水口与雾化室相连通；所述控流加气喷枪竖直设于水口的正上方并且能够升降移动，控流加气喷枪的中部设高压气体流道，控流加气喷枪的底端设喷气微孔；高压气体流道的上口与高压惰性气体输送管道相连，高压气体流道的下口与喷气微孔相连；所述雾化室的顶部设高压气体喷盘，高压气体喷盘在对应水口的外侧设多个高压气体喷口，雾化室的底部设金属粉收集器；所述中间包、雾化室、控流加气喷枪、水口、高压气体喷盘及金属粉收集器同轴设置；
所述控流加气喷枪的底面为球面，喷气微孔的直径为0.1～5mm，喷气微孔的数量为1～200个；喷气微孔为多个时，均匀设于球面上；所述控流加气喷枪的升降调节范围为：控流加气喷枪底面距离水口上端面0～200mm；
所述超细金属粉的粒径≤20μm；制备过程包括如下步骤：
1)将控流加气喷枪下降，使其落到水口上，堵住水口上的气液混合体流道；
2)采用火焰烘烤中间包包衬，然后向中间包内注入金属液；
3)向控流加气喷枪内通入惰性气体，并将压力调节至0.11～1.0MPa，通过控流加气喷枪向雾化室内充入惰性保护气体；与此同时，向高压气体喷盘内通入惰性气体，并将压力调节至0.11～10MPa，通过高压气体喷盘向雾化室内充入惰性保护气体；
4)向上提起控流加气喷枪，使中间包内的金属液自流到控流加气喷枪与水口之间的缝隙，并与自控流加气喷枪喷射出的惰性气体混合，形成气液混合体；气液混合体在高压气体冲击、重力，以及高压气体喷盘喷射气流的负压抽吸作用下，通过水口的气液混合体流道进入雾化室；
5)气液混合体进入雾化室后即进入到高压气体喷盘喷射气流的冲击区内，在喷射气流的作用下被打碎成超细液滴，并迅即凝固形成超细金属粉落入雾化室底部的金属粉收集器内；
6)经自然冷却、筛分后，获得成品超细金属粉。
2.根据权利要求1所述的一种超细金属粉的气雾化制备方法，其特征在于，所述控流加气喷枪与高压惰性气体输送管道之间通过快速接头或螺纹连接。
3.根据权利要求1所述的一种超细金属粉的气雾化制备方法，其特征在于，所述中间包的本体为钢制壳体，钢制壳体的内壁依次设有绝热层和中间包包衬。
4.根据权利要求3所述的一种超细金属粉的气雾化制备方法，其特征在于，所述中间包的钢制壳体与雾化室为一体结构。
5.根据权利要求1所述的一种超细金属粉的气雾化制备方法，其特征在于，所述水口的材质为氮化硼或氧化镁；水口为轴对称结构，中心沿竖直方向设圆孔作为气液混合体流道。
6.根据权利要求1所述的一种超细金属粉的气雾化制备方法，其特征在于，所述水口设于中间包的中心位置；水口的上部为锥形结构，所述中间包的底部对应设置锥形孔，水口的上部嵌装在锥形孔中。
7.根据权利要求1所述的一种超细金属粉的气雾化制备方法，其特征在于，所述雾化室的顶部在对应高压气体喷盘安装处设安装孔，高压气体喷盘嵌装在安装孔中，通过压板和螺栓与雾化室的顶部可拆卸地固定连接；高压气体喷盘的中部设通孔与水口的下部相配合；高压气体喷盘内设高压气体流道，高压气体流道的进气端与高压惰性气体输送管道相连，高压气体流道的出气端与高压气体喷口相连。
8.根据权利要求1所述的一种超细金属粉的气雾化制备方法，其特征在于，所述高压惰性气体输送管道在靠近控流加气喷枪、高压气体喷盘的一端分别设压力调节阀。
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